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1、黑龙江大学学生毕业论文论文题目：基于单片机的恒温控制系统的开发学 院： 机电工程学院 年 级： 2006 专 业： 电气工程及其自动化 姓 名： 学 号： 指导教师： 2010年 5 月 19日摘 要随着国民经济的发展，人们需要对各种加热炉中温度进行监测和控制。采用单片机对其进行控制不仅具有控制方便，简单和灵活性大等优点，而且能够提高被控对象的控制品质，从而能够大大地提高产品的质量和数量。PID温度调节系统作为一种重要的控制，在化工、食品等诸多工业生产过程中得到了广泛的应用。本文主要介绍了基于单片机的恒温控制系统的开发。本文详细阐述了基于单片机的温度控制系统的硬件组成、软件设计及相关的接口电路
2、设计，并且充分考虑了系统的可靠性，采取了相应的措施予以保证。针对控制对象的特点，在系统辨识的基础上对系统的控制算法进行了仿真研究，并在单片机系统中实现了控制算法，最后针对温控系统进行了实验，通过对实验数据的分析表明本文所述的基于单片机的恒温控制系统的设计的合理性和有效性。关键词单片机；温度控制；数字PID控制AbstractAlong with national economy development, the people need to each heating furnace，the temperature carry on the monitor and the control. No
3、t only uses the monolithic integrated circuit to come to them to control has the control to be convenient, simple and flexibility big and so on merits, moreover may enhance large scale is accused the temperature technical specification, thus can big enhance the product the quality and quantity. PID
4、temperature control, as an important control device, has been widely used in producing chemical products, foods and many other fields. The paper mainly introduces based on a temperature control system.The hardware and software of the temperature control system and the design of relevant interface ci
5、rcuit are described in this paper. The reliability of the system is specially considered, and a series of measures are realized. According to the difficulty to control of the system, methods of system control are analyzed based on the system Identification, and realized the control algorithm in the
6、Microcontroller system. The experiment data shows that the design of temperature control system based on Microcontroller is availability and rationality.Key wordsMicrocontroller ；Temperature control system； Digital PID control目 录摘 要IABSTRACTII第一章绪论11.1概述11.2 温度测控技术的发展与现状11.2.1 定值开关控温法21.2.2 PID线性控温法
7、21.2.3 智能温度控制法31.3 系统总体设计方案31.3.1 系统性能要求及特点41.3.2 系统硬件方案分析51.3.3 系统软件方案分析5第二章单片机72.1 单片机内部模块72.1.1 MCS-51单片机内部结构72.1.2 MCS-51输入/输出端口的结构与功能82.1.3 MCS-51单片机的引脚及其功能82.1.4 8051系统扩展设计92.2 单片机外总线结构92.3 芯片的扩展设计10第三章系统硬件设计123.1 温度检测和变送器123.2 接口电路133.3 A/D转换电路153.4 可控硅驱动电路163.5 PID控制173.6 硬件抗干扰措施21第四章系统软件设计2
8、24.1 主程序224.2 T0中断服务程序244.3 采样子程序274.4 数据处理294.4.1 数据采集294.4.2 数字滤波294.5 软件抗干扰措施32第五章系统调试335.1 集成开发环境KEIL335.2 系统硬件调试345.3 系统软件调试35结论36参考文献37致谢38第一章 绪论1.1 概述 温度是生活及生产中最基本的物理量，它表征的是物体的冷热程度。自然界中任何物理、化学过程都紧密的与温度相联系。在很多生产过程中，温度的测量和控制都直接和安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能源等重大技术经济指标相联系。因此，温度的测量与控制在国民经济各个领域中均受到了相当程度的重
9、视。 在实际的生产实验环境下，由于系统内部与外界的热交换是难以控制的，其他热源的干扰也是无法精确计算的，因此温度量的变化往往受到不可预测的外界环境扰动的影响。为了使系统与外界的能量交换尽可能的符合人们的要求，就需要采取其他手段来达到这样一个绝热的目的，例如可以让目标系统外部环境的温度与其内部温度同步变化。根据热力学第二定律，两个温度相同的系统之间是达到热平衡的，这样利用一个与目标系统温度同步的隔离层，就可以把目标系统与外界进行热隔离1。 另外，在大部分实际的环境中，增温要比降温方便得多。因此，对温度的控制精度要求比较高的情况下，是不允许出现过冲现象的，即不允许实际温度超过控制的目标温度。特别是
10、隔热效果很好的环境，温度一旦出现过冲，将难以很快把温度降下来。这是因为很多应用中只有加热环节，而没有冷却的装置。同样道理，对于只有冷却没有加热环节的应用中，实际温度低于控制的目标温度，对控制效果的影响也是很大的。 鉴于上述这些特点，高精度温度控制的难度比较大，而且不同的应用环境也需要不同的控制策略。下面就简要的讨论一下温度测控技术的发展与现状。1.2 温度测控技术的发展与现状 近年来，温度的检测在理论上发展比较成熟，但在实际测量和控制中，如何保证快速实时地对温度进行采样，确保数据的正确传输，并能对所测温度场进行较精确的控制，仍然是目前需要解决的问题。 温度测控技术包括温度测量技术和温度控制技术
11、两个方面。在温度的测量技术中，分为接触式测温和非接触式测温，接触式测温发展较早，这种测量方法的优点是简单、可靠、低廉、测量精度较高，一般能够测得真实温度;但由于检测元件热惯性的影响，响应时间较长，对热容量小的物体难以实现精确的测量，并且该方法不适宜于对腐蚀性介质测温，不能用于超高温测量，难于测量运动物体的温度。非接触式测温方法是通过对辐射能量的检测来实现温度测量的方法，其优点是不破坏被测温场，可以测量热容量小的物体，适于测量运动物体的温度，还可以测量区域的温度分布，响应速度较快。但也存在测量误差较大，仪表指示值一般仅代表物体表观温度，测温装置结构复杂，价格昂贵等缺点。因此，在实际的温度测量中，
12、要根据具体的测量对象选择合适的测量方法，在满足测量精度要求的前提下尽量减少投入。 温度控制技术按照控制目标的不同可分为两类:动态温度跟踪与恒值温度控制。动态温度跟踪实现的控制目标是使被控对象的温度值按预先设定好的曲线进行变化。在工业生产中很多场合需要实现这一控制目标，如在发酵过程控制，化工生产中的化学反应温度控制，冶金工厂中燃烧炉中的温度控制等；恒值温度控制的目的是使被控对象的温度恒定保持在某一给定数值上，且要求其波动幅度(即稳态误差)不能超过允许值。本文所讨论的基于单片机的温度控制系统就是要实现对温控箱的恒值温度控制要求，故以下仅对恒值温度控制进行讨论。 从工业控制器的发展过程来看，温度控制
13、技术大致可分以下几种:1.2.1 定值开关控温法 所谓定值开关控温法，就是通过硬件电路或软件计算判别当前温度值与设定目标温度值之间的关系，进而对系统加热装置(或冷却装置)进行通断控制。若当前温度值比设定温度值高，则关断加热器，或者开动制冷装置；若当前温度值比设定温度值低，则开启加热器并同时关断制冷器。这种开关控温方法比较简单，在没有计算机参与的情况下，用很简单的模拟电路就能够实现。目前，这种控制方法的温度控制器在我国许多工厂的老式工业电炉中仍被使用。由于这种控制方式是当系统温度上升至设定点时关断电源，当系统温度下降至设定点时开通电源，因而无法克服温度变化过程的滞后性，致使被控对象温度波动较大，
14、控制精度低，完全不适用于高精度的温度控制。1.2.2 PID线性控温法 这种控温方法是基于经典控制理论中的PID调节器控制原理，PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点被广泛应用工业过程控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统2。由于PID调节器模型中考虑了系统的误差、误差变化及误差积累三个因素，因此，其控制性能大大地优越于定值开关控温。其具体控制电路可以采用模拟电路或计算机软件方法来实现PID调节功能。前者称为模拟PID控制器，后者称为数字PID控制器。其中数字PID控制器的参数可以在现场实现在线整定，因此具有较大的灵活性，可以得到较好的控
15、制效果。采用这种方法实现的温度控制器，其控制品质的好坏主要取决于三个PID参数(比例值、积分值、微分值)。只要PID参数选取的正确，对于一个确定的受控系统来说，其控制精度是比较令人满意的。但是，它的不足也恰恰在于此，当对象特性一旦发生改变，三个控制参数也必须相应地跟着改变，否则其控制品质就难以得到保证。1.2.3 智能温度控制法 为了克服PID线性控温法的弱点，人们相继提出了一系列自动调整PID参数的方法，如PID参数的自学习，自整定等等。并通过将智能控制与PID控制相结合，从而实现温度的智能控制。智能控温法以神经网络和模糊数学为理论基础，并适当加以专家系统来实现智能化。其中应用较多的有模糊控
16、制、神经网络控制以及专家系统等。尤其是模糊控温法在实际工程技术中得到了极为广泛的应用。目前已出现一种高精度模糊控制器，可以很好的模拟人的操作经验来改善控制性能，从理论上讲，可以完全消除稳态误差。所谓第三代智能温控仪表，就是指基于智能控温技术而研制的具有自适应PID算法的温度控制仪表。 目前国内温控技术的发展，相对国外而言在性能方面还存在一定的差距，它们之间最大的差别主要还是在控制算法方面，具体表现为国内温控在全量程范围内温度控制精度比较低，自适应性较差。这种不足的原因是多方面造成的，如针对不同的被控对象，由于控制算法的不足而导致控制精度不稳定3。1.3 系统总体设计方案单片机温度控制系统是以M
17、CS-5l单片机为控制核心，辅以采样反馈电路，驱动电路，晶闸管主电路对电炉炉温进行控制的微机控制系统。其系统结构框图如图1-1所示。该系统采用单闭环形式，其基本控制原理为:将温度设定值(即输入控制量)和温度反馈值同时送入控制电路部分，然后经过调节器运算得到输出控制量，输出控制量控制驱动电路得到控制电压施加到被控对象上，设备因此达到一定的温度。图1-1 系统工作原理图1.3.1系统性能要求及特点 (1)系统性能要求: (a)可以人为方便地通过控制面板或PC机设定控制期望的温度值，系统应能自动将设备加热至此设定温度值并能保持，直至重新设定为另一温度值，即能实现温度的自动控制； (b)能够实现对设备
18、温度的测量并且通过控制面板上的液晶屏实时地显示温度； (c)具有加热保护功能的安全性要求； (d)模块化设计，安装拆卸简单，维修方便； (e)系统可靠性高，不易出故障； (f)尽量采用典型、通用的器件，一旦损坏，易于在市场上买到同样零部件进行替换。 (2)系统特点: 鉴于上述系统功能要求以及智能仪表应具有的体积小、成本低、功能强、抗干扰并尽可能达到更高精度的要求。本系统在硬件设计方面具有如下特点:作为与MCS-51系列兼容的单片机，无论在运算速度，还是在内部资源上均可胜任本系统的性能要求。根据测温范围的要求，本设计采用镍铬/镍铝热电偶，此电偶用于01000的温度测量范围，相应的输出电压为0-4
19、1.32。为了简化系统硬件，控制量采用可控硅输出4。 整个系统遵循了冗余原则及以软代硬的原则，并尽可能选用典型、常用、易于替换的芯片和电路，为系统的开放性、标准化和模块化打下良好基础。系统扩展和配置在满足功能要求的基础上留有适当裕量，以利于扩充和修改。1.3.2 系统硬件方案分析 单片机是大规模集成电路技术发展的产物，属于第四代电子计算机。它是把中央处理单元CPU (Central Processing Unit)、随机存取存储器RAM (Random Access Memory)、只读存储器ROM (Read only Memory)、定时/计数器以及I/O (Input/Output)输入
20、输出接口电路等主要计算机部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机，它的特点是:功能强大、运算速度快、体积小巧、价格低廉、稳定可靠、应用广泛。由此可见，采用单片机设计控制系统，不仅可以降低开发成本，精简系统结构，而且控制算法由软件实现，还可以提高系统的兼容性和可移植性。 另外，随着微电子技术和半导体工业的不断创新和发展，片上系统SOC (System On Chip)得到了十足的发展。一些厂家根据系统功能的复杂程度，将这种SOC芯片应用到先进的控制仪表中。SOC芯片通常含有一个微处理器核(CPU)，同时，它还含有多个外围特殊功能模块和一定规模的存储器(RAM和ROM)，并且这种片上系统一般具有
21、用户自定义接口模块，使得其功能非常强大，适用领域也非常广。它不仅能满足复杂的系统性能的需要，而且还使整个系统的电路紧凑，硬件结构简化。 从实现复杂系统功能和简化硬件结构的角度出发，SOC是实现温度控制系统的最佳选择，但目前市场上SOC的价格还比较昂贵，并且SOC的封装形式几乎都采用贴片式封装，不利于实验电路板的搭建。从降低成本，器件供货渠道充足的角度看，应用单片机实现温度控制系统是比较经济实用的。1.3.3 系统软件方案分析 目前，MCS-51单片机的开发主要用到两种语言:汇编语言和C语言。与汇编语言相比，C语言具有以下的特点: (1)具有结构化控制语句 结构化控制语言的显著特点是代码和数据的
22、分隔化，即程序的各个部分除了必要的信息交流外彼此独立。这种结构化方式可使程序层次清晰，便于使用、维护及调试； (2)适用范围大和可移植性好 同其他高级语言一样，C语言不依赖于特定的CPU，其源程序具有良好的可移植性。目前，主流的 CPU和常见的MCU都有C编译器。加之集成开发环境KEIL编译生成的代码效率很高(仅比汇编语言生成的代码效率低10%15%) 所以，本系统的软件选择使用C语言开发。 由于整个系统软件比较复杂，为了便于编写、调试、修改和增删，系统程序的编制适合采用模块化的程序结构，故要求整个控制系统软件由许多独立的小模块组成，它们之间通过软件接口连接，遵循模块内数据关系紧凑，模块间数据
23、关系松散的原则，将各功能模块组织成模块化的软件结构。 温度控制算法方面，结合本温控系统的要求采用了经典的PID控制算法，这主要是由于PID控制相对来说算法简单、鲁棒性好和可靠性高。此外，在设计时，依靠经验和试验的方法在系统调试时确定PID参数,，然后用代码实现了算法。第二章 单片机单片机是单片微型计算机SCM(single chip micro-computer)的译名简称，在国内简称为“单片机”。它包括中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、中断系统、定时器/计数器、串行口和I/O等等。单片机主要应用于工业控制领域，用来实现对信号的检测、数据的采集以及对应用对象的控制。它具有体
24、积小、重量轻、价格低、可靠性高、耗电少和灵活机动等许多优点，单片微型计算机(简称单片机)是微型计算机的一个重要分支，也是一种非常活跃和颇具生命力的机种，特别适合用于智能控制系统。2.1 单片机内部模块在本设计中,从经济上以及性能上考虑，选用8051作为CPU。8051是MCS51系列单片机的一种型号。MCS-51单片机的类型有：8051、8031、8751等。2.1.1 MCS-51单片机内部结构8051单片机内部结构如图2-1所示。它包含CPU、震荡器和时序电路、4KB的ROM、256B的RAM、两个16定时/计数器T0和T1、4个8位I/O端口（P0、P1、P2、P3）、串行口等组成，其中
25、震荡时序与时钟组成定时控制部件。图2-1 8051单片机功能方框图 2.1.2 MCS-51输入/输出端口的结构与功能MCS-51单片机有4个I/O端口，共32根I/O线，4个端口都是准双向口。每个口都包含一个锁存器，即专用寄存器P0-P3，一个输出驱动器和输入缓冲器。为方便起见，我们把4个端口和其中的锁存器都统称P0-P3。 在访问片外扩展存储器时，低8位地址和数据由P0口分时传送，高8位地址由P2口传送。在无片外扩展存储器的系统中，这4个口的每一位均可作为双向的I/O口使用。P0口：可作为一般的I/O口用，但应用系统采用外部总线结构时，它分时作低8位地址和8位双向数据总线用。P1口：每一位
26、均可独立作为I/O口。P2口：可作为一般I/O口用，但应用系统采用外部系统采用总线结构时，它分时作为高8位地址线。 P3口：双功能口。作为第一功能使用时同P1口，每一位均可独立作为I/O口。另外，每一位均具有第二功能，每一位的两个功能不能同时使用。2.1.3 MCS51单片机的引脚及其功能MCS-51单片机采用40引脚的双列直插封装形式。1） 主电源引脚VCC和VSSVSS（40脚）：主电源+5V，正常操作的对EPROM编程及验证时均接+5V电源。VSS（20脚）：接地。2） XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）：接外部晶振的两个引脚。3） RST/VPD、ALE、PROG、PSEN控制
27、信号引脚。RST/VPD（9脚）：单片机复位/备用电源引脚。刚接上电源时，其内部寄存器处于随机状态，在引脚上输入持续两个机器周期的高电平将使单片机复位。VCC掉电期间，此引脚可接上备用电源，一旦芯片在使用中VCC电压突然下降或短电，能保护片内RAN中信息不丢失，使复电后能继续正常运行。ALE（30脚）：当访问片外存储器时，ALE的输出用于锁存低字节地址信号。即使不访问片外存储器，ALE端仍以不变的频率周期性地出现脉冲信号。其频率为振荡器频率1/6。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时的目的。应注意的是：当访问片外数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲；ALE端可以驱动8个LSET负载。对含有E
28、PROM的单片机，片内EPROM编程期间，此引脚用于输入编程脉冲（PROG）。PROG（29脚）：输出访问片外程序存储器的读选通信号。CPU在从片外程序存储器取指令（或常数）期间，每个机器周期两次有效。每当访问片外存储器时，这两次有效的PROG信号将不会出现。该端同样可驱动8个LSTTL负载。EA/VPP（31脚）：当EA 输入端输入高电平时，CPU可访问片内程序存储器4KB的地址范围。若PC值超出4KB地址时，将自动转向片外程序存储器。当EA 输入低电平时，不论片内是否有程序存储器，则CPU只能访问片外程序存储器。2.1.4 8051系统扩展设计通常情况下，采用MCS-51系列单片机的最小系
29、统只能用于一些很简单的应用场合，在此情况下直接使用单片机内部存储器、数据存储器、定时功能、中断功能、I/O端口等，组成的应用系统的成本较低5。单片机系统扩展的方法有并行扩展法和串行扩展法两种。并行扩展法是利用单片机的三种线（AB、DB、CB）进行的系统扩展；串行扩展法是利用SPI三线总线或I2C双总线的串行系统扩展。但是，一般串行接口器件速度慢，在需要高速应用的场合，还是并行扩展法占主导地位。2.2 单片机外总线结构微型计算机大多数CPU外部都有单独的地址总线、数据总线和控制总线，而MCS-51单片机由于受到芯片管脚的限制，数据线和地址线（低8位）是复用的，而且是I/O口兼用。为了将它们分离开
30、来，以便同单片机之外的芯片正确地相连，常常在单片机外部加地址锁存器来构成与一般CPU相类似的三总线，如图2-2所示6。图2-2 三总线2.3 芯片的扩展设计1）程序存储器扩展设计7(A) 程序存储器简介常见的EPROM有：2716（容量2K8位）、2732（容量4K8位）、2764（容量8K8位）、27128（容量16K8位）、27256（容量32K8位）、27512（容量64K8位）。EPROM外引脚功能如下：A0A15:地址输入线；O0-O7:三态数据总线，读或编程校验时为数据输出线，编程时为数据输入线。维持或编程禁止时O0-O7呈高阻抗；CE：片选信号输入线，“0”（即TTL低电平）有效
31、；PGM：编程脉冲输入线;其值因芯片型号和制造厂商不同而异；VPP：编程电源输入线，其值因芯片型号和制造厂商不同而异；OE：读选通信号输入线，“0”有效；VCC：主电源输入线，一般为5V。(B)扩展方法扩展程序存储器时，一般扩展容量大于256字节，因此，除了由P0口提供低8位地址线外，还需由P2口提供若干地址线，最大的扩展范围位64K字节，即需16位地址线。具体方法是CPU应向EPROM提供三种信号线。即A：数据总线：P0口接EPROM地O0-O7(D7-D0)；B：地址总线：P0口经锁存器向EPROM提供地址低8位，P2口提供高8位地址以及片选线。扩展的程序存储器究竟需要多少位地址线，应根据
32、程序存储器容量和选用的EPROM芯片容量而定。C：控制总线：PSEN片外程序存储器取指令控制信号，接EPROM的“OE”。ALE接锁存器的G，EA接地。2） 数据存储器设计由于算法的需要，在存储器中需要存储24个从A/D片出来的数据，即需要24单元的存储单元。在8051的内部数据存储区低128字节RAM中30H-7FH共80个存储单元使用户RAM区，完全可以容纳下24个数据以及其运算过程中的临时数据，故不需要在另外扩展片外数据存储器。第三章 系统硬件设计系统的硬件结构主要由温度检测电路、键盘与显示电路、A/D转换电路、输出控制电路等部分组成。系统控制主电路是由8051及其外围芯片及一些辅助部分
33、构成的。系统设计原理图如图3-1所示。图3-1 系统设计原理图3.1 温度检测和变送器温度检测元件和变送器的类型选择与被控温度的范围和精度等级有关。镍铬/镍铝热电偶适用于0-1000的温度检测范围，相应输出电压为0-41.32。变送器由毫伏变送器和电流/电压变送器组成。毫伏变送器用于把热电偶输出的0-41.32变换成4-20的电流；电流/电压变送器用于把毫伏变送器输出的4-20电流变换成0-5的电压8。为了提高测量精度，变送器可以进行零点迁移。例如：若温度测量范围为500-1000，则热电偶输出为20.6-41.32，毫伏变送器零点迁移后输出4-20范围电流。以热电偶为检测元件的单片机温度控制
34、系统电路原理图如图3-2所示。图3-2 单片机恒温控制系统电路原理图3.2 接口电路接口电路采用MCS-51系列单片机8051，外围扩展并行接口8155，模数转换器ADC0809等芯片。 由图3-2可见，在P2.0=0和P2.1=0时，8155选中它内部的RAM工作；在P2.0=1和P2.1=0时，8155选中它内部的三个I/O端口工作。 8155用作键盘/LED显示器接口电路。图3-3中键盘有30个按键，分成六行（L0-L5）五列（R0-R4），只要某个键被按下，相应的行线和列线才会接通。图中30个按键分三类：一是数字键0-9，共10个；二是功能键18个；三是剩余两个键，可定义或设置成复位键
35、等。为了减少硬件开销，提高系统可靠性和降低成本，采用动态扫描显示。A口和所有LED的八段引线相连，各LED的控制端G和8155C口相连，故A口为字形口，C口为字位口，8051可以通过C口控制LED是否点亮，通过A口显示字符9。图3-3 8155用作键盘/LED显示器接口电路8155芯片内具有256个字节的RAM，两个8位、一个16位的可编程I/O口和一个14位计数器。它与51型单片机接口简单，是单片机应用系统中广泛使用的芯片。带有I/O接口和计时器的静态RAM8155如图3-4所示。图3-4 带有I/O接口和计时器的静态RAM81558155用作键盘LED显示器接口电路，当IO/为高电平时，8
36、155选通片内的I/O端口。A,B,C三个口可以作为扩展的I/O口使用，MCS-51单片机的PO口与8155的AD0-AD7相连。此时P0输出的低8位地址只有3位有效，用于片内选址，其他位无用。使用A,B,C三个口时，首先向命令寄存器写入一个控制字以确定三个口的工作方式。如果写入的控制字规定他们工作于方式或方式下，则这三个口都是独立的基本I/O口。可以直接利用MOVX A,DPTR或MOVX DPTR,A指令完成这三个口的读/写（输入/输出）操作。工作在方式或方式时，C口用作控制口或部分用于控制。MCS-51单片机可以和8155直接连接，不需要任何外加电路，给系统增加了256个字节的RAM、2
37、2位I/O线及一个计数器。当P2.00且P2.1=0时，选中8155的RAM工作；在P2.0=1和P2.0=0时，8155选中片内三个I/O端口。相应地址分配为10：0000H-00FFH 8155内部RAM 0100H 命令/状态口 0101H A口 0102H B 口 0103H C 口 0104H 定时器低八位口 0105H 定时器高八位口3.3 A/D转换电路在单片机控制系统中，控制或测量对象的有关变量，往往是一些连续变化的模拟量，如温度、压力、流量、位移、速度等物理量。但是大多数单片机本身只能识别和处理数字量，因此必须经过模拟量到数字量的转换(A/D转换)，才能够实现单片机对被控对象
38、的识别和处理。完成A/D转换的器件即为A/D转换器。 A/D转换器的主要性能参数有: (1)分辨率 分辨率表示A/D转换器对输入信号的分辨能力。A/D转换器的分辨率以输出二进制数的位数表示； (2)转换时间 转换时间指A/D转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。不同类型的转换器转换速度相差甚远; (3)转换误差 转换误差表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别，常用最低有效位的倍数表示； (4)线性度 线性度指实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移。 目前有很多类型的A/D转换芯片，它们在转换速度、转换精度、分辨率以及使用价值上都各具特色
39、，其中大多数积分型或逐次比较型的A/D转换器对于高精度测量，其转换效果不够理想。温度控制中A/D转换是非常重要的一个环节。传统的电路设计方法是在A/D转换前增加一级高精度的测量放大器，这样就增加了成本，电路也较为复杂。综合考虑，本系统选用ADC0809作为本系统的A/D转换器。A/D转换电路图如图3-5所示。ADC0809的IN0和变送器输出端相连，故IN0上输入的0-+5V范围的模拟电压经A/D转换后可由8051通过程序从P0口输入到它的内部RAM单元。首先输入地址选择信号，在ALE信号作用下，地址信号被锁存，产生译码信号，选中一路模拟量输入。然后输入启动转换控制信号START启动转换。转换
40、结束，数据送三态缓冲锁存器，同时发出EOC信号。在允许输入信号OE的控制下，再将转换结果输入到外部数据总线。图3-5 A/D转换电路图3.4 可控硅驱动电路可控硅是一种功率半导体器件，简称SCR，也称晶闸管。它分为单向可控硅和双向可控硅，在微机控制系统中，可作为功率驱动器件。双向可控硅相当于两个单向可控硅反向并联。双向可控硅与单向可控硅的区别是: (1)它在触发之后是双向导通； (2)在控制极上不管是加正的还是负的触发信号，一般都可以使双向可控硅导通。因此双向可控硅特别适合用作无触点开关。8051对温度的控制是通过可控硅调控实现的，如图3-6所示。图3-6 可控硅功输出与通断时间关系双向可控硅
41、管和加热丝串联接在交流220V，50Hz交流试点回路。在给定的周期T内，8051只要改变可控硅管的接通时间便可改变加热丝功率，以达到调节温度的目的。图3-5示出了可控硅管在给定周期T内具有不同接通时间的情况。显然，可控硅在给定周期T的100%时间内接通的功率最大。可控硅接通时间可以通过可控硅控制板上控制脉冲控制。该触发脉冲由8051用软件在P1.3引脚上产生，受过零同步脉冲后经驱动器输送到可控硅的控制极上。通常，炉温控制采用偏差控制法。偏差控制的原理是先求出炉温对给定值的偏差值，然后对偏差处理而获得控制信号去调节电炉的加热功率，以实现对温度的控制11。3.5 PID控制PID控制是最早发展起来
42、的控制策略之一，现今使用的PID控制器产生并发展于1915-1940年期间。尽管自1940年以来，许多先进的控制方法不断推出，但由于PID控制方法具有结构简单、鲁棒性好、可靠性高、参数易于整定P，I，D控制规律各自成独立环节，可根据工业过程进行组合，而且其应用时期较长，控制工程师们已经积累了大量的PID控制器参数的调节经验。因此，PID控制器在工业控制中仍然得到广泛应用。据统计，有90%以上的工业控制器采用PID控制器。PID控制器的发展经历了液动式、气动式、电动式几个阶段，目前正由模拟控制器向着数字化、智能化控制器的方向发展。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值只构成控制偏
43、差。控制器的输入信号为偏差信号: （3-1）将偏差的比例(Proportional)、积分(Integral)和微分(Derivative)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，因此称为PID控制。控制原理如图3-7所示。其控制规律为 （3-2）式中:比例系数:积分时间常数:微分时间常数图3-7 PID控制原理图PID控制器各校正环节的作用如下:(1)比例环节即时成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。(2)积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数，越大，积分作用越弱，反之则越强。(3)微分环节能够反映偏差信号
44、的变化趋势(变化速率)，并且能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。 在工业上，偏差控制又称为PID控制，这是工业控制中常用的控制形式，一般能收到令人满意的效果。控制论告诉我们，PID控制的理想方程是： （3-3） 式中 测量值与给定值之间的偏差； 微分时间； 积分时间； (3-4) 调节器的放大系数。将上式离散化得到数字PID位置式算法式中在位置式算法的基础之上得到数字PID增量式算法： (3-5) 由于PID控制器的输出为系统偏差的比例、微分和积分作用后的线性组合，所以调整各个部分的线性系数就是PID控制器控制性能好坏的关键。针
45、对具体被控对象对PID控制器参数进行整定。PID参数的整定有以下常用的方法:(1) 试凑法这种方法是通过仿真或实际运行，观察系统对典型输入作用的响应曲线，根据各控制参数对系统的影响，反复调节试凑，直到满意为止，从而确定PID参数。我们知道，PID控制器各参数对系统的影响是，增大开环比例系数，一般将加快系统的影响速度，在有静差的情况下则有利于减小静差;但过大的比例系数又会加大系统超调，甚至产生振荡，使系统不稳定。在试凑时，实行先比例、后积分、再微分的反复调整。其步骤如下:(a)整定比例部分先置PID控制中的积分微分环节不起作用，使之成为比例控制，再将比例系数由小变大，观察相应的响应，使系统的过渡过程达到4:1的衰减振荡和较小的静差。如果系统静差已小到允许范围内，并且已达到4:1衰减的响应曲线，那么只需用比例控制既可，最优比例度就由此确定。(b)加入积分环节如果只用比例控制，系统的静差不能满足要求，则需加入积分环节。整定时，先将比例系数减小10%-20%，以补偿因加入积分作用而引起的系统稳定性下降，然后由大到小调节，在保持系统良好动态性能的情况下消除静差。这一步可以反复进行，以期得到满意的效果。(c)加入微分环节在整定时，先置为零，然后，在第(2)步整定的基础上再增大，同时相应地改变比例系数和积分时间，逐步试凑以获得比较满意
